Effects of Physical Characteristics Factors on Ankle Joint Injury during One Leg Drop Landing

ISSN 2288-1069 (Online)

http://dx.doi.org/10.12925/jkocs.2020.37.4.839

외발 착지 시 신체적 특성 요인들이 발목 관절 상해에 미치는 영향

이성열¹

․이효근

․권문석

1용인대학교 운동역학실험실, 강사

2벡터바이오 생체역학연구실, 연구소장

3건국대학교 스포츠융복합연구소, 교수

(2020년 8월 9일 접수: 2020년 8월 18일 수정: 2020년 8월 20일 채택)

Effects of Physical Characteristics Factors on Ankle Joint Injury during One Leg Drop Landing

Seong-Yeol Lee

1

Sports Biomechanics Lab., Yongin University

2

Biomechanics Research Laboratory, Vector Bio, Inc.

3,✝

Sports Convergence Institute, Konkuk University

(Received August 9, 2020; Revised August 18, 2020; Accepted August 20, 2020)

요 약 : 본 연구는 외발 착지 시 신체적 특성 요인들인 발목 유연성, 성별, Q-angle이 발목 관절 상해

따라서 외발 착지 시 신체적 특성 요인들이 발목 관절 상해에 영향을 미치는 요인들임을 확인 할 수 있었 다.

주제어 : 외발 착지, 발목 상해, 발목 유연성, 성별, Q-angle



✝

Corresponding author

(E-mail: [email protected])

Abstract : The purpose of this study was to analyze the effects of ankle flexibility, gender, and

First, an independent t-test of joint motion and joint moment according to the experience of ankle injury was conducted to determine the effect of physical characteristics on ankle joint injury during one leg drop landing(α = .05). Second, the variable that showed a significant difference through t-test was set as the dependent variable, and the ankle flexibility, gender difference, and Q-angle were designated as independent variables to use Multiple Linear Regression(α =. 05). As a result of this study, it was found that the group that experienced an ankle joint injury was found to use a landing strategy and technique through adduction of the ankle joint and internal rotation of the knee joint, unlike the group without an injury. It was also confirmed that this movement increases the extension moment of the ankle joint and decreases the extension moment of the hip joint. In particular, it was found that the dorsi flexion flexibility of the ankle affects the ankle and knee landing strategy, and the gender difference affects the ankle extension moment. Therefore, it was confirmed that physical characteristics factors affecting ankle joint injuries during one leg drop landing.

Keywords : one leg drop landing, ankle injury, ankle flexibility, gender, Q-angle

1. 서 론

스포츠 활동 시 대부분의 비접촉성 하지 관절 상해는 신체를 감속시키는 운동 수행 시 발생되 며, 착지는 대표적인 신체 감속 동작 중 하나이 다[1,2]. 착지는 발이 지면과 접촉 시 큰 지면반 발력을 동반하며, 이는 하지 관절에 강한 충격력 을 발생시킨다[3-5]. 이러한 착지 동작 시 발생 하는 큰 충격력은 하지 근골격계의 신장성 수축 능력에 따라 상쇄의 크기가 결정된다[6,7]. 더욱 이, 외발 착지 동작은 이러한 충격력을 한발로 상쇄시켜야 함으로 관절에 전해지는 부하를 증가 시킬 수 있고 비접촉 상해 위험성은 더욱 증가할 수 있다[8,9].

스포츠 활동 중 발생하는 하지 관절의 상해 빈 도를 분석한 결과, 발목 관절 상해가 가장 높은 비율을 보인 것으로 보고되고 있다[10]. 이러한 발목 관절의 상해 경험은 관절의 안정성과 운동 기능을 감소시키고 불안정성을 증가시켜 기능적 결함을 발생시킨다[11,12]. 선행연구자들은 하지 근골계의 신장성 굴국 움직임에 영향을 주는 요 인들에 대해서 계속해서 연구해 오고 있다. 특히 발목 관절의 굴곡 가동범위가 하지 관절의 충격

흡수 전략에 영향을 미치며 하지 관절의 상해에 영향을 준다고 보고하고 있다[13-15]. 특히 발목 관절의 굴곡 운동범위는 개인의 유연성에 의해 결정되는 요인이며, 기능학적 관점에서 발목관절 의 유연성(Flexibility)은 인체 감속 운동 시 신체 안정성과 밀접한 관련성이 있다고 언급되고 있다 [16-18].

여성 운동선수들이 남성 운동선수들에 비해 약 2-8배 정도 비접촉성 하지 관절의 상해 위험률 이 높은 것으로 보고되고 있다[19]. 이러한 원인 은 여성이 남성에 비해 상대적으로 낮은 대퇴 근 력, 호르몬의 작용으로 인한 관절의 느슨함 (Laxity)의 등의 다양한 요인이 보고되고 있다 [20,21]. 특히 무릎 관절의 정렬 상태를 의미하는 Q-angle은 여성이 남성에 비해서 높기 때문에, 착지 시 무릎 관절의 외전의 움직임을 발생시키 며 인대의 장력을 증가시켜 전방십자인대(ACL) 등의 상해 위험에 영향을 준다고 보고되고 있다 [22,23]. 이와 같이, 선행연구자들은 발목 유연성, 성별의 차이, Q-angle 등의 신체적 특성 요인들 이 착지 동작 시 하지 관절의 운동학적, 운동역 학적 요인들에 영향을 미치는 것으로 보고하여 왔다. 하지만 이러한 신체적 특성 요인들이 복합

Table 1. Characteristics of Subjects

Ankle Injury Gender

Total

Male Female

Injury N=8 N=8 N=16

Non-Injury N=8 N=8 N=16

Total N=16 N=16 N=32

적으로 하지 관절에 큰 충격력을 발생시키는 외 발 착지 동작 시 발목 관절 상해와 어떠한 관련 성이 있는지에 대해서는 연구적 접근이 부족한 실정이다.

그러므로 본 연구는 외발 착지 시 신체적 특성 요인들인 발목 유연성, 성별, Q-angle 요인들이 발목 관절 상해 요인들에 미치는 영향을 분석하 는데 목적을 두고 있다. 본 연구를 통해 발목 상 해 경험에 따른 외발 착지 시 운동학적, 운동역 학적 요인들에 대한 차이를 검증하여 운동역학적 요인들을 추출한 후 신체적 특성 요인들과의 관 련성을 규명하고자 한다.

2. 연구방법

2.1. 연구 대상

본 연구는 오른발을 주발로 사용하고 체육을 전 공하는 20대 남성 16명(나이: 20.19±1.78 years, 체중: 69.54±10.12 kg, 신장: 173.22±4.43 cm), 여성 16명(나이: 21.05±1.53 years, 체중:

61.75±6.97 kg, 신장: 159.34±4.56 cm)을 연구 대상자로 선정하였다. 또한 <Table. 1.> 에서 보 는 바와 같이 설문지를 통하여 최근 3년 이내 발 목 관절의 수술 경험 또는 그에 준하는 병력을 설문 조사하였다. 실험 전 모든 대상자들에게 실 험의 내용과 목적을 충분히 설명하고 실험 참여 동의서를 받은 후, 신체적 특성을 세밀하게 측정 하고 실험에 참여하도록 하였다. 본 연구는 생명 윤리위원회(IRB) 심사를 통해 연구 승인을 받은 뒤 실험을 진행하였다(IRB No. 2-1040966- AB-N-01-20-1709-HSR-078-5).

2.2. 실험 절차 및 장비

실험대상자의 동작을 분석하기 위하여 적외선 을 이용한 3차원 모션 캡쳐 시스템 카메라 7대 (MX-Motion Capture Camera, Vicon, UK;

Sampling Rate: 120 Hz)로 촬영을 실시하였다.

또한 지면반력을 측정하기 위하여 스트레인게이 지 타입의 지면반력 측정 시스템 1대(AMTI OR6-7, AMTI Inc., Watertown, MA, USA;

Sampling Rate: 1200Hz)를 설치하였다. 착지동 작을 위해 자체적으로 제작한 높이 45cm, 가로 61cm, 세로 41cm의 박스를 설치하였으며 지면반 력기와의 거리는 20cm로 설정하였다.

3차원 실 공간좌표를 구성하기 위해 NLT (Nonlinear transformation) 방법을 사용하였으 며, 이를 위해 Vicon에서 제공한 반사마커가 부 착된 L-frame과 T-wand를 통해 실시하였다. 3 차원 좌표값은 3차원 영상촬영 프로그램인 Nexus 1.7(Vicon, UK)을 통해서 획득하였다. 전 역좌표계 설정은 착지진행 방향을 Y축으로, 지면 에 대하여 수직 방향을 Z축, 좌우 방향을 X축으 로 정의하였다.

대상자들에게 실험 동작을 충분히 설명하고 실 험 간 부상을 입지 않도록 10분의 준비운동과 동 작이 익숙하도록 충분한 연습을 실시하였다. 남성 은 면 소재의 반바지 타이즈만을 착용시켰으며, 여성은 스포츠 브라를 함께 착용하도록 하였다.

착용이 완료되면 실험 대상자의 신체 표면에 Vicon Plug-in-Gait 모델을 기반으로 제작된 총 47개의 반사마커(직경 14mm)를 부착하였다.

그 다음 대상자를 박스 위에 올라가게 한 뒤 지면반력기에 사전에 표시해 둔 곳에 상해 경험 이 없는 집단은 주동발로 외발착지를, 상해 경험 이 있는 집단은 상해 경험이 존재하는 발로 외발 착지를 실시하게 하였다. 이때 손의 영향을 제어 하기 위해 손을 교차하여 손바닥을 대흉근에 고 정하였으며, 신발의 영향을 받지 않기 위해서 신 발을 착용하지 않고 맨발로 실시하였다. 동작 사 이의 휴식시간을 30초 간격으로 가졌으며, 중심 을 잃지않고 원활하게 수행된 3회의 동작만을 수 집하였다.

Dorsi Flexion Normal Plantar Flexion Fig. 1. Ankle Flexibility Measurement.

2.3. 변인분석

본 연구에서는 외발 착지 동작을 2개의 이벤트 와 1개 국면으로 정의하였다. 대상자가 공중 동 작 후 왼발이 지면반력기에 접촉하여 수직 벡터 값이 10N 이상 발생하는 시점(Initial Foot Contact: IFC), 최대무릎굴곡(Max Knee Flexion:

MKF) 되는 시점과 최대무릎신전(Max Knee Extension: MKE)을 각각의 이벤트로 정의 하였 다. 그리고 IFC에서 MKF까지를 감속국면 (Deceleration Phase)으로, IFC에서 MKE까지를 착지국면(Landing Phase)으로 설정하였다.

외발 착지 동작 시 수집한 인체 마커의 3차원 자료와 지면반력 자료들은 MX Control & MX Net(Vicon, UK)을 통해 동기화하고 컴퓨터에 저 장한 후 Vicon Nexus 1.7(Vicon, UK) 프로그램 으로 신호처리를 실시하였다. 외발 착지 동작 시 수집한 인체 마커의 3차원 자료와 지면반력 자료 들은 MX Control & MX Net(Vicon, UK)을 통 해 동기화하고 컴퓨터에 저장한 후 Vicon Nexus 1.7(Vicon, UK) 프로그램으로 신호처리를 실시하 였다. 이때 인체에 부착한 반사마커 데이터들을 fourth-order Butterworth filter(8Hz)로 필터 하 였으며, 지면반력 데이터는 fourth-order low- pass Butterworth filter(50Hz)로 필터한 Vicon Nexus 프로그램에 저장한 외발 착지 C3D 자료 들을 Kwon 3D 3.1 S/W(Visol Inc, Korea)에서 불러와서 데이터를 변화하고 Kwon 3D 인체 모 델링으로 인체 분절들의 지역좌표계(X축: 좌/우 축, Y축: 전/후 축, Z축: 분절의 장축)를 설정한 후 Cardan orientation 방법을 이용하여 인체 관 절 각도를 산출하였다.

본 연구의 변인 설정은 하지 관절의 발목 관 절, 무릎 관절, 엉덩 관절이며 모든 각도값은 대 상자 각각의 static 각도 값을 빼주어서 일반화

시켰다. 또한 조인트 모멘트 변인은 착지국면 (Landing Phase)에서 발생된 최대값으로 정의하 였으며, 각 산출된 데이터는 대상자별 신체질량 (BM: Body Mass)으로 나누어져 일반화 (Normalization) 되었다.

2.4. 해부학적 변인 측정

발목 유연성(Ankle Flexibility)을 측정하기 위 해서 Goniometer를 사용하였다. 무를 관절의 움 직임을 제한하기 위해서 대상자는 목재상자 위에 무릎을 완전히 신전시켜 앉은 상태에서 경골 (Tibia)과 비골(Fibula)을 상자위에 고정한 후 측 정하였다. 측정 항목은 배측 굴곡각도(Dorsi Flexion), 저측 굴곡각도(Plantar Flexion) 그리고 근육의 수축이 발생하지 않은 일반각도(Normal) 를 측정하였다. 측정 방법은 외측 복사뼈 (Malleolus) 중심부에 Goniometer의 축을 위치시 키고 고정자는 비골과 평행이 되도록 하였으며, 가동자는 제5중족골(Fifth Metatarsal)과 평행하 게 하여 측정하였다<Fig. 1.>. 연구 간에는 측정 된 일반각도에서 배측 굴곡각도를 뺀 값을 발목 의 배측굴곡 유연성으로 정의하였고, 저측굴곡 각 도에서 일반 각도를 뺀 값을 저측굴곡 유연성으 로 정의하여 사용 하였다. 측정 데이터의 신뢰도 를 높이기 위하여 실험 간에 동일한 측정자와 동 일한 장비로 측정하였으며, 주동발 또는 상해 경 험이 있는 발의 3회 측정한 값의 평균값을 사용 하였다[18].

실험 대상자의 왼발의 전상장골극(ASIS: Anterior Superior Iliac Spine), 슬개골(Patella)의 중앙, 그 리고 경골조면(Tibial Tuberosity)에 마커를 부착 하여 3차원 Static 촬영을 실시하였다. 3차원 분 석 프로그램인 Vicon Nexus 1.7(Vicon, UK)를 이용하여 사전에 부착한 슬개골의 중앙에 위치한

Table 2. Independent t-test Analysis Results of Biomechanical Variables

Variables Injury Experience

p-value

Ankle Y IFC(°) 6.11±5.94 -0.50±8.18 .014^* Knee Z IFC(°) 11.66±5.20 7.25±5.62 .028^* Knee Z MKF(°) 32.52±7.89 26.05±9.50 .045^* Peak Ankle Joint Moment X (N·m/BM) -3.05±0.60 -2.45±0.60 .008^**

Peak Hip Joint Moment X (N·m/BM) -2.42±0.45 -2.75±0.40 .040^*

IFC= Initial Foot Contact, MKF= Max Knee Flexion, ROM= Range of Motion,

=(

<.05),

=(

<.01)

의 중앙의 마커에서 경골조면 중앙의 마커의 수 직선 간에 교차지점의 각도를 이용하여 Q-angle 을 계산하였다. 측정 데이터의 신뢰도를 높이기 위하여 주동발 또는 상해 경험이 있는 발의 3회 측정한 값의 평균값을 사용하였다[24].

2.5. 통계분석

외발 착지 시 신체적 특성 요인들이 발목 관절 상해에 미치는 영향을 확인하기 위하여 첫째, 발 목 상해 경험에 따른 하지 관절 움직임과 관절 모멘트의 독립 t-test를 실시하였다. 둘째, t-test 를 통하여 유의한 차이를 나타낸 변인을 종속변 인으로 설정하고 발목 유연성, 성별의 차이, Q-angle을 독립변인으로 지정하여 선형다중회귀 분석(Multiple Linear Regression)을 사용하였다.

본 연구의 통계적 분석은 SPSS 22.0 프로그램을 활용하였으며, 모든 통계검증은 유의 수준을 α

= .05로 설정하였다.

3. 결 과

본 연구에 참여한 남·여의 외발 착지 동작 시 운동역학적 변인의 독립 t-test 분석결과는

<Table. 2.> 와 같다. 운동학적 변인 중에 통계적 차이를 나타낸 것은 Ankle Y IFC(

t

p

t

p

t

p

t

p

t

p

외발 착지 시 운동역학적 변인과 발목 유연성, 성별의 차이, Q-angle과의 다중회귀 분석결과는

<Table. 3.>와 같다. Ankle Y IFC는 발목의 배 측굴곡 유연성이 정적인 영향을 미치는 요인으로 나타났으며(

β

p

(Adjusted R2=.129)를 설명하고 있는 것으로 확 인되었다. Knee Z IFC 는 발목의 배측굴곡 유연 성이 정적인 영향을 미치는 요인으로 나타났으며 (

β

p

Knee Z MKF 는 발목의 배측굴곡 유연성이 정 적인 영향을 미치는 요인으로 나타났으며(

β

=.673,

p

Peak Ankle Joint Moment X는 성별이 차이가 정적인 영향을 미치는 요인으로 나타났으며(

β

=.683,

p

Peak Hip Joint Moment X는 영향을 미치는 요 인이 확인되지 않았다.

4. 논 의

본 연구의 목적은 외발 착지 시 신체적 특성 요인들인 발목 유연성, 성별, Q-angle 요인들이 발목 관절 상해 요인들에 미치는 영향을 조사하 는 것이다. 발목 관절 상해 경험에 따른 운동역 학적 변인의 독립 t-test 분석결과 외발 착지 시 발목 관절의 IFC 시점에서 내·외전 각도, 무릎 관절의 IFC, MKF 시점에서 내·외회전 각도, 발 목과 엉덩 관절의 최대 굴·신 모멘트에서 차이를 나타내었다. 회귀분석 결과 발목 관절 IFC 시점

Table 3. Multiple Linear Regression Analysis Results of Biomechanical Variables Variables Significant

predictors R2 Adjusted R2 Variables

β sig.

Ankle Y IFC(°) DFF .241 .129 .454 .030^*

PFF -.122 .498

Q-angle -.120 .562 Gender -1.359 .185

Knee Z IFC(°) DFF .499 .425 .580 .001^**

PFF .236 .115

Q-angle -.339 .051 Gender .963 .344

Knee Z MKF(°) DFF .444 .362 .673 .000^**

PFF .046 .764

Q-angle -.143 .421 Gender .109 .914 Peak Ankle Joint

Moment X (N·m/BM) Gender .341 .243 .683 .005^**

DFF -.312 .104

PFF -.189 .263

Q-angle .020 .917 Peak Hip Joint Moment

X (N·m/BM) .085 -.050 DFF -.049 .823

PFF -.059 .766

Q-angle -.090 .693 Gender .363 .178

*=(

p

p

에서의 내·외전 각도, 무릎 관절 IFC, MKF 시점 에서의 내·외회전 각도는 발목의 배측굴곡 유연성 과 유의한 연관성이 있었다. 발목 관절의 최대 굴·신 모멘트는 성별과 유의한 연관성이 있는 것 으로 나타난 반면, 엉덩 관절의 최대 굴·신 모멘 트는 유의한 연관성이 없었다.

스포츠 상황에서 발목 관절의 상해유형은 염좌 (50%), 경련(17%), 타박(12%), 골절(5%) 등이 있으며, 여기서 염좌(Sprains)는 관절을 지지해 주는 인대가 정상 가동범위를 넘는 외력이 가해 졌을 경우 늘어나거나 찢어지는 것을 말한다[10].

선행연구에 따르면 착지 시 발이 지면과 접촉하 는 순간이 발목 관절의 과도한 내전 움직임이 발 생하는 순간이라고 보고하고 있으며, 특히 이러한 움직임은 발목 관절의 염좌의 발생과 밀접하게 연관이 있다[7,21]. 본 연구에서는 외발 착지 시 지면과 접촉하는 순간에 발목에 상해를 경험한 집단이 발목 관절의 내전의 움직임이 나타났으며, 이를 통해서 발목 관절의 상해 경험이 내·외전

움직임에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

또한 회귀분석결과 발목의 배측굴곡 유연성과 정 적인 연관성을 가지는 것으로 나타났는데, 이는 굴·신 유연성이 내·외전의 움직임과 연관성이 있 는 것으로 분석된다.

선행연구에 따르면 비접촉 전방십자인대의 상 해 발생은 무릎 관절의 과도한 외전과 함께 내·

외측 회전 움직임이 동반되었을 때 발생한다고 보고하고 있다[25]. 특히 착지 시 내측회전 움직 임은 외반의 움직임을 동반하여 비접촉 전방십자 인대 상해와 연관성이 높은 것으로 알려져 있다 [26]. 본 연구에서는 발목 관절의 상해를 경험한 집단이 착지하는 순간과 무릎이 최대로 굴곡 되 는 순간에 무릎이 내측회전되는 움직임을 나타내 었으며, 이를 통해서 발목 관절의 상해 경험이 무릎 관절의 회전움직임에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한 회귀분석결과 발목의 배측굴곡 유연성과의 정적인 연관성을 가지는 것으로 나타 났다. 선행연구에 따르면 무릎 관절은 착지 시

충격력을 가장 많이 흡수하는 관절이며, 이에 따 라서 착지 전략과 기술이 달라진다고 보고하고 있다[2,9,27]. 이를 통하여 발목의 배측굴곡 유연 성이 착지 시 무릎 관절의 충격흡수 전략에 영향 을 미칠 것으로 분석된다.

착지 시 인체의 감속은 하지 근골격계의 신장 성 수축을 통해 수행되며 이 때 하지 관절에서 신장성 모멘트가 발생하게 된다[1,3,6]. 선행연구 에 따르면 착지 시 발목 관절의 움직임을 통한 충격흡수 전략을 사용할수록 발목 관절의 신전 모멘트가 더 큰 것으로 보고하였다[27]. 본 연구 의 결과를 살펴보면 발목 관절의 신전 모멘트는 상해를 경험한 집단이 더 큰 것으로 통계적 차이 가 나타났다. 이러한 결과는 상해를 경험한 집단 은 더 큰 신전 모멘트를 발생시켜 발목 관절의 인대나 인접한 근육들의 부하를 증가시켜 발목 관절 상해의 재발을 발생시킬 것으로 분석된다.

또한 회귀분석결과 성별의 차이와 정적인 연관성 을 가지고 있는 것으로 나타났는데, 선행연구에 따르면 여성은 남성에 비해서 착지 시 발목을 직 립으로 두기 때문에 발목 관절의 신전근을 많이 사용하는 것으로 보고하였으며, 이를 통해 착지 시 불안정성이 증가된다고 보고하였다[1,28]. 따 라서 외발 착지 시 성별의 차이는 발목의 신전 모멘트 영향을 미치는 요인으로 분석된다.

본 연구의 결과에 따르면 발목의 상해를 경험 한 집단이 엉덩 관절의 신전 모멘트가 더 작은 것으로 통계적 차이가 나타났다. 선행연구에 따르 면 엉덩 관절은 인체의 가장 큰 분절이 몸통과 밀접해 있기 때문에 상지의 움직임에 영향을 많 이 받는 것으로 보고되고 있다[3,29,30]. 일반적 으로 외발 착지는 양발 착지에 비해서 더 높은 충격력을 발생시키고 이로 인해서 신체 중심의 안정성을 유지하기가 어려운 동작이다. 따라서 착 지 시 중심을 유지하기 위한 보상 작용으로 엉덩 관절의 움직임이 발생한 것으로 분석되며, 이를 통해 발목 관절의 상해 경험이 착지 시 엉덩 관 절의 신전 모멘트에 영향을 미치는 것으로 확인 할 수 있었다.

5. 결 론

본 연구는 외발 착지 시 신체적 특성 요인들인 발목 유연성, 성별, Q-angle이 발목 관절 상해 요인들에 미치는 영향을 분석하기 위하여 발목

관절 상해 경험이 있는 그룹 16명(Male=8, Female=8), 발목 관절 상해 경험이 없는 그룹 16 명(Male=8, Female=8) 대상으로 다음과 같은 결 론을 얻었다. 발목 관절 상해를 경험한 그룹은 상해를 경험하지 않은 그룹과는 다르게 발목 관 절의 내전, 무릎 관절의 내측 회전을 통한 착지 전략과 기술을 사용하는 것으로 나타났다. 또한 이러한 움직임은 발목 관절의 신전 모멘트를 증 가시키고, 엉덩 관절의 신전 모멘트는 감소시키는 것으로 확인되었다. 특히 발목의 배측굴곡 유연성 은 발목과 무릎의 착지전략에 양향을 미치며, 성 별의 차이는 발목의 신전 모멘트에 영향을 미치 는 것을 알 수 있었다. 따라서 외발 착지 시 신 체적 특성 요인들이 발목 관절 상해에 영향을 미 치는 요인들임을 확인할 수 있었다.

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